Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Динамический диапазон, свободный от гармоник 
Динамический диапазон, свободный от гармоник, представляет собой 
разницу между величиной измеряемого сигнала и наибольшим пиком искаже-
ний (рис.18). Этот динамический диапазон обозначается как SFDR. Он ограни-
чен снизу амплитудой максимальной гармоники паразитных выбросов на вы-
ходе АЦП в диапазоне его рабочих частот.
Рис. 18. Динамический диапазон свободный от гармоник (SFDR) 
Частота
Полная шкала (FS) 
Уровень входного сигнала 
Уровень максимальной 
гармоники 
SFDR(dBc) 
SFDR(dBFS) 
𝑓
𝑠
2
⁄
(7) 
(8) 

---

27 
Идеальный классический N-разрядный АЦП имеет среднеквадратичное значе-
ние шума квантования, равное 
𝑞
√12
.
АЦ преобразователь на основе сигма-дельта модуляции 
Сигма-дельта модуляция известна достаточно давно – с 1962 года. Одна-
ко практическое применение её было затруднено тем, что не было достаточно 
быстродействующей элементной базы. Своим названием эти преобразователи 
обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции - 

) и 
интегратора (обозначение операции - 

). Один из принципов, заложенных в та-
кого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую 
шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усредне-
ние результатов измерения на большом интервале времени. АЦП с дельта-
модуляцией использует всего один разряд для регистрации цифрового эквива-
лента.
Если взять одноразрядный АЦП (известный как компаратор), подать на 
его вход сигнал от интегратора, а на интегратор — входной сигнал, суммиро-
ванный с выходом этого ЦАП, на вход которого сигнал поступает с выхода 
АЦП, получится ΣΔ-модулятор первого порядка, показанный на рис.19. Доба-
вив цифровой низкочастотный фильтр и дециматор на цифровой выход, полу-
чим ΣΔ АЦП: ΣΔ-модулятор формирует такую кривую распределения шума 
квантования, при которой большая часть шума располагается выше полосы 
пропускания цифрового выходного фильтра и, следовательно, эффективное 
число разрядов (ENOB) намного больше, чем ожидается от коэффициента из-
быточной дискретизации. 

---

28 
Рис. 19. ΣΔ АЦП первого порядка 
Не вдаваясь в детали, работу ΣΔ АЦП можно описать следующим обра-
зом. Представим, что постоянное напряжение подается на вход V
IN
. Сигнал на 
выходе интегратора в точке А при этом постоянно нарастает или убывает. С 
выхода компаратора сигнал подается обратно через одноразрядный ЦАП на 
суммирующий вход в точке B. Благодаря отрицательной обратной связи, со-
единяющей выход компаратора через одноразрядный ЦАП с точкой суммиро-
вания, среднее значение постоянного напряжения в точке B стабилизируется на 
уровне V
IN
. Вследствие этого, среднее выходное напряжение ЦАП равняется 
входному напряжению V
IN
. В свою очередь, среднее выходное напряжение 
ЦАП определяется плотностью потока единиц в одноразрядном потоке данных, 
следующего с выхода компаратора. Когда значение входного сигнала увеличи-
вается до +V
REF
, число единиц в последовательном потоке данных увеличивает-
ся, а число нулей уменьшается. Точно так же, когда значение сигнала прибли-
жается к отрицательному значению –V
REF
, число единиц в последовательном 
потоке данных уменьшается, а число нулей увеличивается. Попросту говоря, в 
последовательном потоке разрядов на выходе компаратора содержится среднее 
V
in